1 香港理工大学生物医学工程学系,中国 香港
2 香港理工大学光子技术研究院,中国 香港
3 香港理工大学深圳研究院,广东 深圳 518063
基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展,有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控,该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响,在无需光纤末端透镜或扫描器件的情况下实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外,在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下,通过构建物理或深度学习模型,从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述,首先说明无透镜光纤成像的基础原理,并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法,接着介绍一些先进光纤成像模态和技术,列举光纤成像相关应用,最后分析该领域所面临的挑战,总结并展望其进一步发展方向和应用前景。
多模光纤 多芯光纤 波前整形 内窥成像 光学显微成像 深度学习 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618002
红外与激光工程
2024, 53(1): 20230504
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 201800
2 中国科学院上海光学精密机械研究所 高功率激光单元技术实验室,上海 201800
3 国科大杭州高等研究院 物理与光电工程学院,杭州 310024
用于内窥成像的多芯光纤在弯曲条件下传输的光场相位容易出现复杂的随机扰动,为相干成像中的相位恢复带来极大挑战。本文提出了一种可以用于相干成像的螺旋多芯光纤设计,通过调控纤芯尺寸、纤芯间距和螺距来抑制弯曲等外界扰动对纤芯间群时延差和功率串扰的影响。本文建立了弯曲条件下螺旋多芯光纤纤芯光程的数学模型;根据变换光学基本原理,利用有限元仿真软件对螺旋多芯光纤的模式特性进行数值仿真计算。设计的螺旋多芯光纤具有20 μm的芯间距和20 π/m的扭转率,共有6层91个纤芯,不同层的纤芯尺寸不同。无弯曲时芯间群时延差小于6 fs/m;当弯曲半径大于5 cm时,芯间群时延差的变化小于32 fs/m,100 m长度上纤芯间串扰的仿真计算结果低于-550 dB。螺旋多芯光纤的芯间群时延差对弯曲不敏感,在相干成像中代替普通光纤束传递光场,有助于降低相干图像恢复方法的复杂度,可以广泛应用于光纤显微成像、超快激光成像等领域。
多芯光纤 相干成像 串扰 群时延 螺旋线 Multicore fiber Coherent imaging Crosstalk Group delay Helical
1 北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
针对多芯光纤三维位型重构问题,提出了一种基于螺旋多芯光纤和Bishop标架的三维位形重构方法。分析了基于螺旋多芯光纤和Bishop标架的三维位形重构算法原理,实验采用了螺旋多芯光纤布拉格光栅(Fiber Bragg gating,FBG)阵列传感,通过光谱漂移计算各个纤芯的应变值,并根据节点截面应变关系模型实现了纤芯曲率和扭转角解算,最后,结合Bishop迭代计算得到光纤整体位形,实现了形状重构。进行了4种形状的重构实验,最大三维重构绝对误差为3.11mm。实验结果表明,基于Bishop-HMCF的形状重构方法能够实现三维位形重构,在柔性机构末端定位和导航上具有重要的研究意义与应用价值。
Bishop标架 螺旋多芯光纤(HMCF) 光纤布拉格光栅(FBG) 位形重构 bishop frame helical multi-core fiber (HMCF) fiber bragg grating (FBG) 3D reconstruction
1 哈尔滨工程大学纤维集成光学教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150006
2 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150006
3 桂林电子科技大学光电工程学院,广西 桂林 541004
提出一种多芯光纤对角芯反射耦合器,可实现多芯光纤对称纤芯的光路低损耗串联。首先,采用纤端精密研磨的方法制备出45°圆台,得到平均插入损耗为2.14 dB的器件;其次,通过研磨制备出多角度圆台,并采用电弧平滑优化的方法实现了圆台的弧形优化,使得平均插入损耗降低至1.39 dB。对2种圆台型器件的制备容差进行了对比分析,结果表明,优化后的弧形圆台相较于优化前具有更好的制备容差和性能。
光纤光学 多芯光纤 反射耦合器 插入损耗 纤端研磨 光学学报
2023, 43(13): 1306001
桂林电子科技大学 光电工程学院光子学研究中心, 广西桂林541004
为了实现对多芯光纤在光网络系统中的接续并评价连接效果,给出了一种多芯光纤活动连接器的制备方法,用光学连续波反射计和光学低相干反射计分别构建了多芯光纤活动连接器插入损耗和回波损耗测量系统。详细地分析了外在因素和端面质量对多芯光纤活动连接器插入损耗和回波损耗的影响,提出了多芯光纤活动连接器制备和对接时需要满足的三项质量控制条件:精准对芯、物理接触和不相对转动。所制备的多芯光纤活动连接器具有标准的LC型接口,采用三维轮廓仪对多芯光纤活动连接器端面的三维参数(顶点偏移、曲率半径和光纤凹凸度)以及粗糙度进行了表征。用构建的测量系统测得制备的四芯光纤活动连接器中所有纤芯通道实现了平均0.089 dB的低插入损耗和52.31 dB的高回波损耗。为多芯光纤活动连接器走向实际应用提供了制备方法和性能评价方案。
多芯光纤 光纤活动连接器 插入损耗 回波损耗 multi-core fiber optical fiber connector insertion loss return loss 光学 精密工程
2023, 31(10): 1454
1 浙江工商大学信息与电子工程学院(萨塞克斯人工智能学院),浙江 杭州 310018
2 富通集团有限公司,浙江 杭州 311400
3 浙江大学光电科学与工程学院,浙江 杭州 310058
4 杭州科技职业技术学院机电学院,浙江 杭州 311402
利用光纤熔融拉锥技术,对一种中心对称、具有较大芯间距的多芯光纤进行了优化。融锥后的光纤具有倏逝场强、传感灵敏度高的特点,但由于其柔韧性差难于用作弯曲传感测量。本文设计了一种柔性传感器,使优化后的融锥光纤可用于弯曲传感测量。利用超模耦合理论对优化后多芯光纤传感器的透射谱进行了分析,并对其弯曲传感特性进行了实验研究。实验结果表明,该柔性融锥光纤传感器的干涉条纹与弯曲曲率有很好的线性关系。优化后的融锥光纤弯曲传感器的灵敏度为2.90 nm/m-1。
遥感与传感器 光纤传感器 多芯光纤 弯曲传感器 超模 柔性结构 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0728002
武汉理工大学 光纤传感技术与网络国家工程研究中心,湖北 武汉 430070
多芯光纤光栅形状传感技术利用空分复用以及应变监测的优势,结合不同的栅点布设方案,实现待测对象的连续曲率和形状传感。首先介绍了多芯光纤光栅曲率和挠率传感原理,提出采用齐次矩阵变换的三维重构算法实现光纤的三维形状重构。为了探究不同光栅密度对实验精度的影响,利用算法编程模拟了不同光栅间距下的三维形状重构精度,依据模拟仿真的结果,建立了不同光栅间距与三维重构误差之间的关系。三维形状传感实验使用光栅间距为10 cm和5 cm的七芯光纤光栅串。实验结果表明,最大误差出现在尾点处,分别为2.56 cm和1.15 cm,占全长的3.2%和1.4%,平均误差为1.32 cm和0.62 cm,占全长的1.7%和0.8%。实验结果与仿真值比较接近,说明可以依据仿真结果对不同光栅间距下的三维形状误差进行预测。结合具体的应用场景合理配置测点资源,在较低的成本范围内实现高性能的检测。
光纤形状传感 多芯光纤 布拉格光栅 数值模拟 光栅间距 fiber shape sensing multi-core fiber Bragg grating numerical simulation grating pitch 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220485